摘 要: 針(zhēn)對船舶供電(diàn)係統(tǒng)電(diàn)纜的絕(jué)緣狀(zhuàng)態(tài)問(wèn)題(tí)，設計(jì)了(liǎo)一(yī)款電(diàn)纜(lǎn)絕緣(yuán)在綫(xiàn)監測裝置。裝置采用低頻交流注入法，在IT係(xì)統的中(zhōng)心點注(zhù)入(rù)低頻的交(jiāo)流信號，通過(guò)取樣電路(lù)和A/D量(liáng)化檢測注入信(xìn)號(hào)在(zài)電路(lù)中的響應，采(cǎi)用(yòng)FIR濾(lǜ)波(bō)器及DFT算法提(tí)取注入信號，計(jì)算出(chū)係統(tǒng)的絕緣電(diàn)阻和(hé)分布(bù)電(diàn)容(róng)。基於MCGS嵌入(rù)版(bǎn)組態軟件開(kāi)發出人(rén)機(jī)交互界(jiè)麵，使測(cè)量裝置操作更(gēng)加便(biàn)捷(jié)，更(gēng)方便地監控IT係統(tǒng)的(dí)絕緣狀(zhuàng)態。實驗(yàn)驗(yàn)證該(gāi)方(fāng)法(fǎ)切實可行(háng)，裝(zhuāng)置測量(liáng)精度高(gāo)，數據穩(wěn)定(dìng)性好，能更好(hǎo)地評(píng)估係統的(dí)絕(jué)緣(yuán)狀態。

   關鍵(jiàn)詞(cí)：絕(jué)緣在(zài)綫監測(cè)；船舶(bó)絕緣(yuán)在(zài)綫監(jiān)測(cè)係(xì)統；

1
，引言

   由於船舶(bó)的(dí)工(gōng)作環境(jìng)十(shí)分(fēn)惡劣，因此(cǐ)船舶電力網(wǎng)絡(luò)係(xì)統很(hěn)容易發生(shēng)絕緣故障。船(chuán)舶(bó)供(gōng)電係統(tǒng)一般采(cǎi)用(yòng)IT係統(tǒng)。IT係(xì)統是指(zhǐ)中(zhōng)性(xìng)點不(bù)接(jiē)地或(huò)經高電阻接地(dì)的低壓(yā)配電(diàn)網絡。根據IEC等(děng)相關標準(zhǔn)規定，當IT係(xì)統發生第(dì)一次(cì)單相接(jiē)地(dì)故障或絕(jué)緣電阻(zǔ)低(dī)於(yú)規定(dìng)的整(zhěng)定值時，可(kě)繼續(xù)運行，但應有(yǒu)絕緣監(jiān)測器(qì)發(fā)出報警(jǐng)信(xìn)號。

   目(mù)前(qián)，用(yòng)於IT係(xì)統(tǒng)絕(jué)緣(yuán)檢測(cè)的(dí)方(fāng)法主(zhǔ)要有直(zhí)流疊加(jiā)法
，單頻法
，雙頻法
，“S"注(zhù)入(rù)法和(hé)零序(xù)電(diàn)流(liú)法。幾種(zhǒng)檢(jiǎn)測(cè)方(fāng)法中，直(zhí)流(liú)法監測的(dí)是整個(gè)電(diàn)網(wǎng)的絕緣(yuán)情況，無法判(pàn)斷(duàn)具體的某一綫路，需在各支路加裝(zhuāng)互(hù)感器後(hòu)能夠進行選綫，但是(shì)無(wú)法(fǎ)測量(liáng)係(xì)統的分(fēn)布電容(róng)大(dà)小。雙頻(pín)法(fǎ)需要(yào)給(gěi)電(diàn)網輸(shū)入兩(liǎng)種(zhǒng)不同頻(pín)率的檢測信(xìn)號，使(shǐ)得整(zhěng)個檢(jiǎn)測(cè)網絡變得復(fù)雜，極(jí)大地降低(dī)了(liǎo)檢(jiǎn)測設備(bèi)工(gōng)作的可靠性(xìng)；“S"注(zhù)入(rù)法通常(cháng)用於判斷(duàn)電網電力(lì)網絡(luò)的單相接(jiē)地(dì)故(gù)障，無法(fǎ)判斷整個電力(lì)網(wǎng)絡的絕緣(yuán)問(wèn)題。單(dān)頻(pín)法原理簡(jiǎn)單(dān)，能(néng)同時(shí)測(cè)量(liáng)出(chū)係統(tǒng)絕緣(yuán)電阻(zǔ)和分布電(diàn)容，克服了雙頻(pín)法變頻控(kòng)製裝置復(fù)雜(zá)等(děng)弊端(duān)。

2
，在(zài)綫絕緣監測(cè)技術原理(lǐ)

   低頻交(jiāo)流注(zhù)入法是在IT供(gōng)電(diàn)係(xì)統(tǒng)的(dí)絕緣變(biàn)壓(yā)器的(dí)負(fù)荷中(zhōng)性(xìng)點(diǎn)注入一個低頻交流信(xìn)號，通(tōng)過實時監測IT係統的(dí)等(děng)效絕緣電阻和分(fēn)布電容(róng)，實現(xiàn)對供電係統整體絕(jué)緣(yuán)狀(zhuàng)態(tài)的(dí)監測。

   在IT係統絕緣(yuán)度下(xià)降(jiàng)之(zhī)前(qián)，綫路(lù)絕(jué)緣電(diàn)阻遠大(dà)於負(fù)載電阻，所(suǒ)以(yǐ)注(zhù)入源(yuán)的電(diàn)流(liú)對絕緣電阻的(dí)影(yǐng)響(xiǎng)非(fēi)常微弱。同(tóng)時(shí)，由於(yú)IT供電係統(tǒng)三相(xiāng)呈對稱(chēng)性，隔(gé)離(lí)變壓器低(dī)壓(yā)側中性點(diǎn)與(yǔ)絕(jué)緣變壓器(qì)的負(fù)荷(hé)中性點(diǎn)之間不存在(zài)電(diàn)位差，且不接(jiē)地。因此，低(dī)頻(pín)注入(rù)源和負載之(zhī)間沒有形成(chéng)電路，不考慮在負載(zǎi)上產生(shēng)電流(liú)。

   等(děng)效(xiào)電路(lù)圖(tú)如(rú)圖1所示(shì)，其中R0為(wéi)限流(liú)電(diàn)阻，R，C分(fēn)別為供電係統(tǒng)三相(xiāng)對地(dì)絕(jué)緣電(diàn)阻(zǔ)和(hé)分布(bù)電容(róng)的(dí)並(bìng)聯(lián)值，對供電係統進行在綫監(jiān)測時，將(jiāng)對電路中的(dí)A，B，C三點(diǎn)的(dí)電壓進(jìn)行取(qǔ)樣(yàng)，分別為(wéi)UA，UB，UC。

                        圖1等效(xiào)電路圖(tú)

C點(diǎn)和(hé)A點的(dí)電壓(yā)差除(chú)以(yǐ)R0，就(jiù)可(kě)以得到回(huí)路(lù)中(zhōng)的(dí)電流I。

B點和C點(diǎn)的電壓差(chà)除以(yǐ)回路中的電(diàn)流(liú)，就(jiù)可(kě)以得(dé)到R和C並聯(lián)的阻抗(kàng)。

根據R，C並聯的公式就可(kě)以解出R和(hé)C的值(zhí)。其中(zhōng)θ為R和C並(bìng)聯阻(zǔ)抗的相位角。f為注入(rù)源信(xìn)號的(dí)頻(pín)率。

   因為(wéi)式(shì)(3)計(jì)算(suàn)的(dí)是(shì)三相(xiāng)對地絕緣(yuán)電阻的並聯值，所以實(shí)際上(shàng)R=R1//R2//R3。低頻交流(liú)注入(rù)法它(tā)的優(yōu)點在(zài)於能(néng)夠(gòu)監測IT係(xì)統中(zhōng)等(děng)效電(diàn)容，從而可(kě)以將絕(jué)緣(yuán)電阻和分(fēn)布(bù)電容(róng)共同評估IT係統的絕緣(yuán)性能。

3
，係(xì)統硬件設計

   絕(jué)緣監(jiān)測(cè)裝置(zhì)的(dí)係統總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖(tú)2所示。絕緣(yuán)監測(cè)硬(yìng)件(jiàn)電(diàn)路主要(yào)包含(hán)低頻信號源產(chǎn)生(shēng)電路，A/D轉(zhuǎn)換，MCU控製單(dān)元。主(zhǔ)控芯(xīn)片采用STM32F4係列MCU，該(gāi)係列芯片是集(jí)成(chéng)了單周期DSP指令(líng)和FPU，可(kě)以進行復(fù)雜(zá)的計算(suàn)和(hé)控製。

   係統中(zhōng)MCU生(shēng)成兩(liǎng)路(lù)PWM信(xìn)號控製(zhì)兩片(piàn)UCC21540驅動(dòng)場效(xiào)應(yīng)管(guǎn)構成的(dí)全(quán)橋(qiáo)電路產生(shēng)2.5Hz的交(jiāo)流信號(hào)，將其注入(rù)到(dào)IT係(xì)統(tǒng)中(zhōng)，經取(qǔ)樣(yàng)電(diàn)路提(tí)取(qǔ)信(xìn)號(hào)後放大，濾波，然(rán)後送入(rù)A/D進(jìn)行(háng)量化。A/D采(cǎi)集模(mó)塊(kuài)采用(yòng)具(jù)有(yǒu)並行采集(jí)八路信(xìn)號能力(lì)的(dí)高精(jīng)度A/D芯(xīn)片ADS1278，實時采集(jí)綫路的電壓和(hé)電流信(xìn)號。量化(huà)後(hòu)的數據(jù)通(tōng)過串行外設接口(kǒu) (SPI)串(chuàn)行傳送給MCU，進行FIR濾(lǜ)波。將(jiāng)濾波(bō)後的(dí)信(xìn)號進(jìn)行分析運算，得(dé)到注(zhù)入(rù)信號的頻率(shuài)分量(liáng)的(dí)大(dà)小和(hé)相位。

   所(suǒ)有的(dí)測(cè)試結果通過RS485總綫傳輸到上位(wèi)機(jī)，當(dāng)IT係統(tǒng)的絕(jué)緣電(diàn)阻(zǔ)低於設定(dìng)的(dí)閾值時(shí)，監(jiān)控裝置能夠(gòu)發(fā)出報警(jǐng)信號。

4
，軟(ruǎn)件設計

4.1 主(zhǔ)控程序設計(jì)

   軟件設計采用模塊(kuài)化(huà)的設計(jì)思路(lù)，包含(hán)信(xìn)號源需(xū)要的PWM信號產生程序，A/D轉(zhuǎn)換程(chéng)序(xù)，FIR濾(lǜ)波設計，DFT算(suàn)法程序(xù)，RS485通訊程(chéng)序等(děng)。係(xì)統上電首(shǒu)先進行硬件配(pèi)置(zhì)，RS485初始化，A/D模(mó)塊初始化(huà)，然(rán)後(hòu)產生(shēng)兩(liǎng)路(lù)PWM信號(hào)輸出到信號(hào)源(yuán)產生電路(lù)，啟(qǐ)動數據采(cǎi)集程(chéng)序(xù)，將A/D轉換得到(dào)的數(shù)據(jù)進行濾波(bō)，濾波後(hòu)的信(xìn)號進(jìn)行(háng)DFT計(jì)算，從而計算出係統(tǒng)的絕緣(yuán)電(diàn)阻和(hé)分布電(diàn)容，將計算的數(shù)據傳(chuán)給上位(wèi)機(jī)。主程序(xù)流程圖(tú)如圖3所(suǒ)示。

                    圖3主程序(xù)流(liú)程(chéng)圖(tú)

4.2 FIR濾(lǜ)波器設(shè)計

   考慮到(dào)軟(ruǎn)件(jiàn)計(jì)算時間和(hé)硬件存儲(chǔ)空間(jiān)，濾波(bō)階數(shù)不宜過多(duō)，所以將通(tōng)帶適當放寬，阻帶信號衰減(jiǎn)設為60dB，采(cǎi)樣(yàng)率為24K，通帶截(jié)止頻(pín)率為5Hz，阻帶截止頻率為50Hz，計(jì)算出達到設(shè)定(dìng)的(dí)濾波(bō)效(xiào)果(guǒ)需要1053階[16]。圖4為(wéi)該濾(lǜ)波器(qì)的幅(fú)頻響(xiǎng)應。由(yóu)圖4中可(kě)以(yǐ)看到，在50Hz及之後的(dí)頻(pín)率段信號(hào)衰(shuāi)減(jiǎn)到60dB以(yǐ)下(xià)，有效(xiào)的抑(yì)製了(liǎo)采樣(yàng)信號中工頻(pín)信(xìn)號(hào)和(hé)其它高(gāo)次諧(xié)波(bō)的(dí)幹擾(rǎo)。

                        圖(tú)4 幅頻響(xiǎng)應

   為了驗(yàn)證(zhèng)設計(jì)的(dí)濾波(bō)器的性能(néng)，用(yòng)Matlab產生(shēng)一個由2.5Hz，50Hz，350Hz頻率疊(dié)加的信(xìn)號(hào)，讓其通(tōng)過(guò)濾波器(qì)進行(háng)濾波，通(tōng)過(guò)觀察(chá)濾波結果(guǒ)來(lái)驗(yàn)證濾波(bō)器的(dí)性能(néng)。如(rú)圖5
，6分別為信號濾(lǜ)波前(qián)及(jí)濾波後的幅頻響(xiǎng)應(yīng)及時域(yù)波(bō)形(xíng)。

                    圖5
，6 時域波(bō)形

   由圖5可以看出，經過(guò)FIR低通濾(lǜ)波後(hòu)，注入的(dí)2.5Hz信號被保留，濾除了(liǎo)工(gōng)頻信(xìn)號和其(qí)他噪聲。

5
，實(shí)驗結(jié)果分析(xī)

5.1 離綫狀態下測(cè)試結果

   裝(zhuāng)置調(tiáo)試完(wán)成(chéng)後，在離綫(xiàn)狀態(tài)下對(duì)其進行測試(shì)。實驗室條(tiáo)件下，利用(yòng)電(diàn)阻箱中(zhōng)不(bù)同阻值的(dí)電(diàn)阻和(hé)不(bù)同容量的(dí)電容(róng)等效(xiào)電纜的(dí)絕緣電(diàn)阻(zǔ)和分布(bù)電容。

   表1針對電(diàn)阻和電容並聯(lián)的情(qíng)況進行測(cè)試。表1記(jì)錄(lù)了(liǎo)當電(diàn)阻為10K和(hé)100K的情(qíng)況下(xià)，並(bìng)聯不同大(dà)小的(dí)電(diàn)容(róng)時，電(diàn)阻，電容以及兩(liǎng)者並(bìng)聯(lián)的阻(zǔ)抗(kàng)的(dí)相位角。表(biǎo)中的數據表(biǎo)明，當電阻(zǔ)的值較小(xiǎo)時，電容(róng)的大小對電阻(zǔ)的測量值(zhí)影(yǐng)響很小，電(diàn)阻(zǔ)的(dí)測量誤差(chà)在1%左右(yòu)；當(dāng)電(diàn)阻的(dí)值較(jiào)大(dà)時，並(bìng)聯的(dí)電(diàn)容(róng)越大(dà)，對電阻的(dí)測量值(zhí)影(yǐng)響也越大，電阻的測(cè)量誤差在10%左(zuǒ)右。5.2在(zài)綫狀(zhuàng)態下(xià)測試(shì)結(jié)果(guǒ)離綫(xiàn)狀態下(xià)對裝置的測試(shì)，驗(yàn)證了本文提出的測量方法的(dí)正確性和可行性(xìng)，但是還需要(yào)測(cè)量(liáng)裝(zhuāng)置(zhì)在在(zài)綫(xiàn)狀(zhuàng)態的精(jīng)確(què)度和穩定性(xìng)。

   表2記錄(lù)了電(diàn)容(róng)在0.1μF，1μF，和(hé)10μF這三種(zhǒng)情(qíng)況(kuàng)下，並(bìng)聯(lián)不同(tóng)電阻(zǔ)時的(dí)測試結果。

   從表格(gé)中的(dí)數據(jù)可以(yǐ)看出(chū)，在(zài)C=0.1μF時，電阻的(dí)測量誤差在(zài)5%左(zuǒ)右，電容的測(cè)量(liáng)誤差(chà)為10%左右；在C=1μF時(shí)，電(diàn)阻的誤(wù)差在8%左右(yòu)，電容的誤(wù)差(chà)為(wéi)9%左右(yòu)；在C=10μF時，電(diàn)阻的(dí)測(cè)量誤(wù)差(chà)為17%左(zuǒ)右，電(diàn)阻(zǔ)和(hé)電容(róng)的誤差為(wéi)6%左右(yòu)。

   在綫(xiàn)狀態(tài)下測(cè)量等效(xiào)絕緣電(diàn)阻和分布(bù)電容(róng)時(shí)，因為低(dī)頻(pín)交(jiāo)流信(xìn)號是加在隔(gé)離變壓器的中性(xìng)點(diǎn)上的(dí)，變(biàn)壓(yā)器中(zhōng)的電(diàn)感會對電容的測(cè)量精(jīng)度(dù)產生(shēng)一定的影(yǐng)響。因為電(diàn)容內(nèi)部存(cún)在(zài)漏電(diàn)阻，即等效(xiào)在電容兩(liǎng)端(duān)並(bìng)聯一個兆(zhào)歐(ōu)級別的(dí)電(diàn)阻(zǔ)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將三(sān)個電(diàn)容並聯構(gòu)成10μF的電容(róng)，則在電容兩端(duān)等效並聯的電(diàn)阻(zǔ)大(dà)大(dà)減小，所(suǒ)以(yǐ)隨(suí)著測(cè)量(liáng)電阻值(zhí)的增(zēng)大(dà)，誤(wù)差(chà)也(yě)越(yuè)明(míng)顯。

6
，絕緣(yuán)監測(cè)及(jí)絕緣(yuán)故(gù)障定位產品

6.1 絕緣監測(cè)及(jí)絕(jué)緣故障(zhàng)定位(wèi)產(chǎn)品(pǐn)

AIM-T係(xì)列工(gōng)業用絕(jué)緣監(jiān)測儀

          AIM-T係(xì)列絕緣監測儀主要(yào)應用(yòng)在工業場所IT配(pèi)電係(xì)統中，主(zhǔ)要(yào)包(bāo)括AIM-T300
，AIM-T500和AIMT500L三(sān)款(kuǎn)產品(pǐn)，均適用於純交流(liú)
，純(chún)直(zhí)流(liú)以及(jí)交直流(liú)混(hùn)合(hé)的係(xì)統(tǒng)。

   其中AIM-T300適(shì)用於(yú)450V以(yǐ)下(xià)的交流
，直(zhí)流以及(jí)交(jiāo)直(zhí)流(liú)混(hùn)合係統(tǒng)，AIM-T500適用於(yú)800V以(yǐ)下的(dí)交(jiāo)流
，直流以及(jí)交直流(liú)混(hùn)合(hé)係。AIM-T500L相比AIM-T500增(zēng)加了(liǎo)絕(jué)緣故障(zhàng)定(dìng)位功能。

6.2 絕(jué)緣故障(zhàng)定(dìng)位產品

   工業用絕緣故(gù)障定(dìng)位產品(pǐn)配合AIM-T500L絕緣監測儀(yí)使用，主要包括ASG200測(cè)試(shì)信(xìn)號發(fā)生(shēng)器，AIL200-12絕緣故障(zhàng)定位(wèi)儀，AKH-0.66L係列(liè)電流互感(gǎn)器，適(shì)用於出(chū)綫回路(lù)較(jiào)多(duō)的IT配電係統。

6.3絕緣監(jiān)測耦(ǒu)合(hé)儀(yí)

   絕緣(yuán)監測(cè)耦合儀配合AIM-T500絕緣(yuán)監測(cè)儀使用，主(zhǔ)要(yào)包(bāo)括ACPD100，ACPD200，適(shì)用(yòng)於交流電壓高於690V，直(zhí)流電壓高(gāo)於800V的(dí)IT配(pèi)電係統。

7
，技術參(cān)數(shù)

7.1 絕緣(yuán)監測(cè)儀技(jì)術參數

7.2 測(cè)試信號(hào)發(fā)生器(qì)技術參(cān)數

7.3 絕緣故障(zhàng)定(dìng)位儀(yí)技術(shù)參數

7.4 AKH-0.66L係列電(diàn)流(liú)互感(gǎn)器技術(shù)參數

7.5 絕(jué)緣(yuán)監測耦(ǒu)合儀技術參數(shù)

·分(fēn)別在(zài)離(lí)綫和在(zài)綫(xiàn)兩種(zhǒng)狀態(tài)下對(duì)絕緣(yuán)故障監測(cè)裝置的電(diàn)阻電(diàn)容的(dí)測(cè)量(liáng)精度進行(háng)了(liǎo)測試(shì)。實驗測(cè)試的數據(jù)表明(míng)：

1)基於低頻交流(liú)注(zhù)入(rù)法(fǎ)的測量(liáng)方法(fǎ)切實可(kě)行，設(shè)計絕緣(yuán)故障(zhàng)監(jiān)測裝置(zhì)，能(néng)夠實時(shí)監測IT係統的絕(jué)緣(yuán)狀(zhuàng)況。

2)絕(jué)緣監(jiān)測裝(zhuāng)置的(dí)測量精度高(gāo)，穩定(dìng)性好，反應時間(jiān)小於5s，所(suǒ)有(yǒu)的(dí)測量誤差遠(yuǎn)低(dī)於(yú)國家標(biāo)準

參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)

[1]宋(sòng)強(qiáng).船舶(bó)電(diàn)站絕(jué)緣(yuán)監測(cè)係統的原理(lǐ)研(yán)究(jiū)與硬(yìng)件設(shè)計[J].艦(jiàn)船科學技術，2018，40(04)：70-72.

[2]楊(yáng)璟(jǐng).船舶(bó)低壓IT配(pèi)電係(xì)統(tǒng)的特點及應用[J].船舶設(shè)計通(tōng)訊(xùn)，2015(02)：58-63.

[3]黃健(jiàn)發，馬慶(qìng)生，胡(hú)天(tiān)明(míng)，等.西氣東輸24V直(zhí)流(liú)電源(yuán)絕緣監(jiān)測係統的應用研究(jiū)[J].自(zì)動(dòng)化與儀器(qì)儀表(biǎo)，2016 (10)：115-116.

[4]安科(kē)瑞企業微電(diàn)網設計(jì)與應用手(shǒu)冊(cè). 2022.08版

[5]安(ān)科瑞 IT 係(xì)統絕(jué)緣監(jiān)測故障定(dìng)位裝(zhuāng)置及監(jiān)控係(xì)統（中英(yīng)文）2021.05版(bǎn)

作者簡介：魏健輝，女，安科(kē)瑞電(diàn)氣(qì)股份有限公司